KR20050107798A - 내부 스테이지화된 나선형 권취 모듈을 갖는 연수용나노여과 시스템 - Google Patents

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히다얏 후세인
피엘 뤼씨엥 코테
프레이저 찰스 켄트
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제논 인바이런멘탈 인코포레이티드
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Abstract

나선형 권취 멤브레인 여과 모듈은 상기 공급면을 지나고 상기 투과면 상의 횡단류가 없는 단일 통로로 처리된다. 재생률은 70% 이상이고, 공급면 속도는 0.05 내지 0.4 ft/s이다. 상기 모듈은 상기 쉘/공급면 상의 스페이서 물질에 댐을 가지고 있어 상기 멤브레인 리프를 가로지르는 다중 통로를 갖는 공급 경로를 제공한다. 예를 들면 나노여과 멤브레인을 가지고 물을 연화하고 여과하기 위하여, 상기 모듈을 사용하는 소규모 시스템이 개시되어 있다. 본 시스템은 화학 세정 장치 및 방법을 포함한다.

Description

내부 스테이지화된 나선형 권취 모듈을 갖는 연수용 나노여과 시스템{Nanofiltration system for water softening with internally staged spiral wound modules}
본 발명은 연수(water softening)방법 또는 장치, 멤브레인 여과 시스템(예를 들면, 역삼투(RO), 나노여과 (NF) 또는 한외여과(UF)), 및 가정용, 다세대용, 상업용, 단체용 또는 산업용 물을 처리하여 하나 이상의 경도(hardness), 중금속, 천연 유기물, 미립 물질, 병원균 또는 다른 불순물을 제거하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
최근들어, 이온 교환계 연수는 가정 및 소량 용도로 물의 경도를 감소시키기 위한 가장 주지된 방법이다. 이러한 방법은 물에 나트륨의 첨가, 염화나트륨 함유 폐수의 방출, 및 중금속, 비소 및 다른 불순물의 제거의 비효율성을 포함여 많은 단점을 가진다. 또한, 이러한 시스템은 대장균(E- Coli), 작은와포자충 (Cryptosporidium parvum), 및 지아디아 포낭(Giardia lambia)을 제거하는데 거의 효과가 없다.
RO 및 NF 시스템은 또한 소규모의 연수용으로 사용되고, 경도 및 다른 불순물의 제거에 효과적인 처리를 제공한다. 그러나, 이러한 시스템은 일반적으로 단일 모듈을 사용한다. 이러한 시스템의 주요한 한계는 막힘현상(fouling)을 방지하기 위해 상기 멤브레인 표면을 가로질러서 고속을 유지하도록 농축수를 환류시킬 필요가 있다는 점이다. 이는 비용 상승의 원인이 된다. 이러한 RO/NF 소규모 시스템은 또한 복합 세정 방법을 포함하고, 상기 시스템은 낮은 재생률로 운전되어 세정(cleaning)을 지연시키고, 폐수를 발생시킨다.
미국 특허 4,814, 079에서, 나선형 권취 RO 멤브레인 셀은 상기 스페이서(spacer) 물질을 제거하고 불투과 물질의 스트립(strips)으로 교체하여 반투과 멤브레인 시트의 외피(envelope) 사이에 회선형(convoluted)의 개방 공급수 흐름 경로 (open feed flow path)를 한정함으로써 개질되었다. 개질전 모듈에서 1.3 f/s(feet per second)의 공급 흐름 속도를 낳았는데 반해, 상기 회선형 흐름 경로는 공급수 흐름의 최소 속도가 3 내지 10 ft/s로 증가되도록 하였다. 공급수 흐름의 증가된 속도 및 스페이서 물질의 부재(absence)는 고형분의 농도가 큰 물에서의 처리를 개선시키게 되었고, 이는 예비-여과없이 상기 모듈에 공급된다. 바람직한 구성에서, 불투과 물질의 스트립은 중앙 맨드렐(mandrel)에 수직으로 배열되어서, 상기 모듈이 권취될 때 일 외피의 스트립이 다른 외피의 스트립 상에 위치한다. 이는 예를 들면 일 외피의 스트립이 인접한 외피의 공급 채널 속으로 밀려들어가는 현상으로, 이는 상기 스트립이 상기 맨드렐과 평행하게 펼쳐지는 경우 일어날 수 있는 문제들을 해결해 준다고 교시하고 있다.
바람직한 구현예 또는 하나 이상의 발명이 하기 도면을 참조하여 이하에 기술될 것이다.
도 1은 시스템의 개략도이다.
도 2는 다른 시스템의 개략도이다.
도 3은 내부 스테이지화된 모듈의 단면 사진이다.
도 4는 다른 모듈의 공급면 스페이서의 도면이다.
도 5는 실험 데이터의 그래프이다.
본 발명의 목적은 선행 기술을 개선시키는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 연수 방법 또는 장치를 제공하는 것, 예를 들면 RO, NF 또는 UF 범위 중 하나 이상의 멤브레인 여과 방법 또는 장치를 제공하는 것, 및 예를 들면, 가정용, 다세대용, 상업용, 단체 또는 산업용으로 상기 시스템에서 멤브레인을 세정하는 방법을 제공하는 것을 포함한다. 상기 하나 이상의 발명은 본 명세서에 개시된 요소 또는 단계의 하나 이상의 조합으로 구성된다. 하기의 요약은 독자가 하나 이상의 발명을 이해하는 것을 도와주기 위한 하나 이상의 발명의 다양한 특징을 기술하는 것이고, 임의의 발명을 한정하려는 목적은 아니다.
몇몇 태양에서, 본 발명은 나선형 권취 역삼투압, 나노여과 또는 한외여과 모듈을 갖는 멤브레인 여과 시스템을 제공한다. 상기 모듈은 공급/농축면(feed/concentrate side) 및 투과면(permeate side)을 가지고 압력 하우징 또는 쉘에 내장된다. 상기 시스템은 또한 공급수 펌프, 투과수 수용 또는 저장 탱크, 화학 세정(chemical cleaning) 시스템, 공급수(feed), 투과수(permeate) 및 농축수(concentrate) 수송용 도관, 및 상기 바람직한 투과수, 농축수, 공급수 흐름을 유지하기 위한 제어 시스템 장치를 포함한다. 상기 공급/농축면은 상기 모듈의 쉘면(shell side)이 될 수 있고 단일 경로에서 상기 모듈을 통하여 흐르는 공급수를 가지고 처리하고, 모든 불투과된 공급수는 농축수 또는 잔류수(retentate)로서 상기 쉘에 존재한다. 상기 투과면은 상기 맨드렐면이 되어, 주입구 및 배출구 사이의 투과면 상에 횡단류(cross-flow) 없이 오직 하나 이상의 투과수 배출구를 가지고 처리할 수 있다. 공급수, 예를 들어 지하수원, 표면수원 또는 도시 상수원(well, surface or municipal water source)은 공급 압력하에서 상기 공급 펌프의 주입구 부분으로 들어간다. 상기 공급수의 공급 장치가 펌프를 사용하고, 상기 공급수 공급 펌프 및 여과 시스템 펌프는 결합될 수 있다. 상기 펌프로부터 가압된 공급수는 상기 여과 모듈로 공급된다. 투과수 흐름은 투과수 다기관(manifold)을 통하여 재생되고, 농축수 흐름은 농축수 다기관을 통하여 수집된다. 상기 공급수에 비하여, 상기 투과수는 경도와 같은 불순물의 농도가 작아지고, 반면에 상기 농축면은 증가된 농도를 가진다. 상기 투과수는 압력하에서 상기 투과수를 저장하여 추가적인 가압없이 사용자에게 투과수를 공급하는 다이어프램 탱크인 저장 탱크에 저장된다. 농축수는 배수구로 보내지거나 다른 처리를 위하여 상기 시스템으로부터 제거된다. 상기 화학 세정 시스템은 때때로 작동되어 상기 모듈의 투과도를 증가시킨다. 상기 모듈은 하기된 바와 같이 개질된 모듈일 수 있다.
다른 태양에서는, 본 발명은 나선형 권취 여과 모듈(내부 스테이지화된 모듈)을 제공하고, 상기 공급수는 상기 모듈의 외피 (리프 (leaf)라고 불릴 수 있음)의 길이 또는 폭을 가로질러 다중 통로(multiple pass) (각 통로는 또한 스테이지(stage)라고 불릴 수 있음)를 만드는 흐름 경로(flow path)를 따른다. 예를 들면, 3 내지 9, 또는 5 내지 7 개의 통로가 있을 수 있다. 각 흐름 경로는 상기 모듈의 쉘면 상의 리프들 사이에 스페이서 물질을 통하여 있을 수 있다. 상기 통로들은 스페이서 물질의 영역을 통과하거나 그 사이에 있는 댐(dams) (배플 (baffles) 또는 디바이더(dividers)라고 불릴 수 있음)에 의해 한정된 에지(edge)를 가질 수 있다. 상기 통로들은 하나의 통로 내에서 또는 통로들 사이에서, 감소하는 폭 또는 단면적을 가질 수 있고, 본 명세서에서 기재된 처리 조건과 같은, 적당한 처리 조건 하에서 상기 모듈의 공급/농축면을 지나는 실질적으로 일정한 또는 증가하는 속도가 있을 수 있다. 예를 들면, 최종 스테이지의 말단의 폭 또는 단면적은 최초 스테이지의 시작의 폭 또는 단면적보다 약 20% 이하 또는 15% 이하일 수 있다. 상기 통로들은 일반적으로 중앙 맨드렐과 평행할 수 있는데, 즉 상기 모듈의 길이를 가로질러 전후로 연장되어 있고, 상기 최초 통로는 상기 최종 통로보다 상기 맨드렐로부터 더 멀리 떨어져 있을 수 있다. 상기 모듈은 상기 UF, NF 또는 RO 범위 중 하나 이상에서 기공을 갖는 멤브레인 물질을 포함할 수 있다. 연수 장치에 있어서, 상기 기공 크기 및 멤브레인 물질은 50% 이상의 경도 제거율(rejection)을 갖는 것으로 특정될 수 있고, 시스템 상에서 30% 이상 또는 50% 이상의 경도 제거 처리를 제공할 수 있다.
다른 태양에서, 본 발명은 시스템 (예를 들면 전술한 시스템)에서, 멤브레인 필터 (예를 들면 전술한 멤브레인 필터)를 처리하는 방법에 관한 것이다. 더 구체적인 예로는, 상기 모듈은 소규모 시스템에서 공급수로부터 경도 및 다른 불순물을 제거하는데 사용되는 NF 모듈일 수 있다. 상기 방법에서, 공급수는 단일 통로에서 상기 모듈의 공급면 (또한 공급/농축면이라고 불림)를 지나서 통과한다. 상기 모듈의 최소 공급면 겉보기 속도 또는 출구 겉보기 속도는 0.05 ft/s 이상이고, 바람직하게는 0.12 ft/s 이상이다. 예를 들면 상기 최소 공급면 겉보기 속도 또는 출구 겉보기 속도는 0.05 내지 0.4 ft/s 또는 0.12 내지 0.3 ft/s일 수 있다. 겉보기 속도는 상기 공급/농축면 스페이서가 부피를 가지지 않는 것을 가정한 속도로서 정의되고 다른 언급이 없다면 본 명세서에서 같은 의미를 가진다. 속도는 상기 공급수가 상기 모듈을 통하여 지남에 따라 증가할 수 있다. 예를 들면, 최종 스테이지의 말단에서 측정된, 출구 속도는 제1 스테이지에서의 평균 속도 보다 약 1.2 배 이상일 수 있다. 상기 투과면은 상기 멤브레인을 지나기만 하는 투과수를 수용하고 배출구로부터 투과수를 방출할 수 있는데, 여기에는 주입구 및 배출구 사이를 횡단류가 없다. 재생되는 투과수의 양은 상기 모듈에 들어가는 공급수의 양의 70% 이상, 바람직하게는 80% 이상 또는 80 내지 95%의 범위이다. 상기 공급면을 통한 압력 강하는 상기 모듈에 대해 허용가능한 한계 내에서 유지된다. 예를 들면, 상기 공급면 압력 강하는 10 psi 이하 또는 5 psi 이하일 수 있다.
다른 태양에서, 본 발명은 멤브레인 모듈의 화학 세정의 수단을 제공한다. 상기 화학 세정은 통상의 기초, 특히 적은 사용 기간 동안, 또는 멤브레인 막힘현상이 공정 조건에 의해 나타날 때, 행해질 수 있는데, 이때 세정이 요구되는 때를 나타내는 것을 수행하거나 도움을 주거나 또는 상기 세정 단계의 일부 또는 전부를 수행하는 타이머 또는 제어기를 선택적으로 사용한다. 상기 세정 시스템은 화학물질 용액 탱크, 상기 공급관에서의 벤튜리 공급기, 상기 모듈의 벤튜리 및 공급면을 지나는 공급수 흐름을 향하게 하는 밸브, 세정 후 상기 세정 용액을 수세하기 위한 상기 투과면 상의 밸브, 및 선택적으로 제어기 또는 타이머로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 세정 시스템은 중력에 의해, 또는 선택적으로 정상 흐름에 역방향으로, 상기 모듈의 공급면을 통하여 세정 화학물질을 흘리도록 배열된 화학물질 탱크를 포함할 수 있다. 상기 화학물질은 일정 시간 동안 막힘 물질(foulants)과 반응하게 되고, 이후 상기 모듈 또는 시스템으로부터 수세되거나, 또는 상기 시스템이 물 수요로 인하여 활성화될 때까지 상기 시스템에서 정치될 수 있다. 화학 세정은 자주, 예를 들면 하루에 한번 내지 한달에 한번씩, 제공되어, 예를 들면 최대 투과도의 25% 이내, 연장된 시간 동안(예를 들면 일년 이상) 상기 인접한 멤브레인들의 투과도를 유지할 수 있다. 또한, 화학 세정은 작은 막힘율 (fouling rate)를 가지거나 멤브레인 투과도에서 더 큰 변화를 허용하도록 설계된 시스템 및 공정에서는 덜 자주, 예를 들면 단지 일년에 한 번 또는 두 번, 제공될 수 있다.
다른 태양에서, 본 발명은 내부 스테이지화된 나선형 권취 모듈을 제조하는 방법을 제공한다. 일 방법은 상기 내부 스테이지를 형성하는 패턴에 상기 모듈 스페이서 상에 실리콘, 핫 멜트(hot melt) 또는 임의의 다른 열가소성 물질로 제조된 댐을 설치하는 단계, 상기 리프들 사이에 상기 스페이서를 삽입하는 단계, 및 이후 상기 모듈을 롤링하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 상기 댐은 적당한 물질을 사용하여 상기 멤브레인 표면 상에 설치될 수 있고, 상기 스페이서 물질은 상기 댐들 사이에 제공될 수 있다. 더 바람직하게는, 맞춤형 스페이서 (custom spacer)는 댐들을 통합하여 제조될 수 있다. 더 바람직하게는 상기 댐들은 열가소성 물질의 스트립으로 제조되어, 상기 조립 공정 동안 스페이서의 양 측면 상에 위치될 수 있다.
다른 태양에서, 본 발명은 적당한 멤브레인 물질을 선택함으로써, 물 속에 본래 존재하는 병원균, 미립 물질 또는 유기물을 제거하고, 연화 및 탈염(desalting), 또는 연화 또는 탈염을 위해 사용될 수 있는 시스템에 관한 것이다. 전술된 방법, 모듈 또는 시스템이 사용될 수 있다. 화학 세정 용액은 탈염의 결과로서 상기 멤브레인 상에 침적될 수 있는 불순물을 용해하기 위해 선택될 수 있다.
또 다른 태양에서, 상기 공급수의 용존 산소 함량 또는 산소 환원 포텐셜(oxygen reduction potential, ORP)은 여과성을 개선시키기 위해 상기 멤브레인 필터의 상류 방향으로 개질된다. 또 다른 태양에서, 단일 나선형 권취 모듈은 멤브레인 물질의 다중 리프들을 가지고 있고, 하나 이상의 리프는 다른 리프와 상이한 멤브레인 물질 또는 화학적 성질(chemistry)을 가진다. 또 다른 태양에서, 여과 시스템은 단속적으로 작동되어 투과 시간 사이에 상기 멤브레인에게 휴지 시간을 제공한다. 본 발명의 다른 태양들은 하기 청구항에 기재될 수 있다.
전형적인 소규모 연수 및 여과 시스템은 전술한 본 발명의 하나 이상의 태양을 유리하게 사용한다. 상기 모듈은 상기 공급면 스페이서를 통하여 지나는 다중 통로를 제공하도록 용이하고 저렴하게 개질된 상업적으로 이용가능한 나선형 권취 나노여과 모듈로부터 제조된다. 상기 스페이서는 작은 공급면 속도에도 불구하고 상기 막힘율을 유지시켜 주는데 도움을 주는 난류를 생성시킨다. 상기 작은 공급수 속도는, 상기 다중 통로 공급수 흐름과 결합하여, 저렴한 모듈 상에서 한계 이상의 압력 강하를 상승시키지 않으면서 큰 단일 통로 재생율을 가능케 한다. 상기 다중 통로들은 또한 현재 사용가능한 RO 및 NF 멤브레인의 작은 투과도 (예를 들면 Filmtec NF-270에 대해서는 0.3 gfd/psi 이하)에도 불구하고 표준 모듈 구조를 사용하여 70% 이상의 재생률을 가능케 한다. 현재 표준 8040 모듈 (8" 지름, 40" 길이)의 NF 또는 RO 경도 제거 멤브레인 물질은, 약 0.6 gfd/psi의 투과도가 요구되기 때문에 스테이지화 없이 단일 통로에서 0.05 ft/s 이상의 출구 속도를 가지면서 70%의 재생률을 가능케 하지는 못한다. 상기 단일 통로, 고 재생률 처리는 교대로 재순환 장치 없이 적절한 농축수 방출 속도를 가지는 단순화된 시스템을 가능케 한다. 막힘율은 단순화된 화학 세정 방법 및 장치가 충분할 정도로 작다. 상기 완전한 시스템은 개인 가정용의 수준에서도 사용하기에 비용면 및 작동 복잡성 면에서도 적당하다. 이러한 동일한 장점들은 또한 그 밖의 또는 개질된 시스템, 예를 들면 공급수로부터 다양한 불순물을 제거하도록 설계된 소규모 한외여과 또는 역삼투압 시스템에서 사용될 수 있다. 한외여과 시스템에서, 멤브레인 투과도는 본 명세서에서 기술된 시스템 또는 방법에 따른 내부 스테이지화 없이 표준 40" 나선형 권취 모듈을 작동하는데 충분할 수 있다.
도 1은 물의 연수, 탈염 또는 여과를 위한 반응기를 도시한다. 예를 들면 상수원, 지하수원 또는 표면 수원으로부터, 또는 기존의 공급 탱크 2로부터의 물 1은 카트리지 필터 3을 통하여 여과될 수 있고 이후 펌프 4의 공급면으로 공급된다. 활성탄소 필터는 상기 공급수가 염소 또는 황화수소 기체를 포함하는 경우 카트리지 필터 대신에 사용될 수 있다. 상기 펌프는 50 내지 200 psi, 예를 들면 약 100 psi 까지 상기 수압을 증가시키고, 내부 스테이지화된 나노여과 또는 역삼투압 모듈 6으로 물을 주입한다. 상기 모듈 6은 하기에 기술한 모듈일 수 있고 상기 공급면 상에 3 내지 9 개의 스테이지 또는 통로를 포함할 수 있다. 9 개 이상의 스테이지가 가능하나, 표준 모듈의 단순한 개질을 배제할 수 있는 실제적인 스테이지 디자인 및 구조를 위한 충분한 폭을 제공하기 위해서, 멤브레인 시트의 수의 감소 및 시트의 폭의 증가를 필요로 하기 쉽다. 한외여과 시스템에서, 충분한 투과도, 예를 들면 약 0.6 gfd/psi 이상을 갖는 모듈 6은, 내부 스테이지화 없이 본원에 기술된 시스템에서 사용가능하다. 예를 들면, Celguard WQ123704 모듈은 30 내지 100 psi의 TMP에서 0.59 내지 0.82 gfd/psi의 투과도를 가지고, 5,000 달톤 (5 kDalton) 제거를 가진다. 경도 제거를 하지 않더라도, 상기 모듈은 치밀한 한외여과를 제공하고 예를 들면, 천연 유기물을 제거한다.
상기 모듈 6에서, 깨끗한 투과수는 상기 농축수로부터 분리되고, 체크 밸브 8 및 수동 밸브 9를 지나서 공기-가압된 다이어프램 탱크 10으로 흐르고, 수동 밸브 11을 지나 사용자 12에게 공급하기 위해 적당한 압력하에서 저장된다. 상기 농축수는 가변 면적 오리피스 흐름 제어기(variable area orifice flow controller) 13, 솔레노이드 밸브(solenoid valve) 14, 및 수동 밸브 15을 지나서 배수구로 방출된다. 가변 면적 오리피스 흐름 제어기 7 및 13은 공급수의 50 내지 95%, 바람직하게는 70 내지 95% 또는 80 내지 90%를 정제된 물로 바람직하게 재생하기 위해 설치된다. 제어기 7은 재생 속도를 거의 일정하게 유지하게 하나 또한 상기 투과면 상의 헤드 손실(head loss)을 증가시키므로, 특히 소규모 또는 가정용 시스템에서는 제거될 수 있다.
상기 다이어프램 탱크 10에서의 압력이 미리 설정된 최고치에 도달하는 경우, 압력 스위치 16은 펌프 4를 정지시키고 솔레노이드 밸브 14를 닫아서 상기 투과수 형성 공정 사이클을 중단시킨다. 비록 본질적인 것은 아니나, 몇몇 경우에 5 내지 10 초 동안 밸브 14를 잠그는 것을 지연하는 지연 스위치 (도 1에 미도시)를 사용하여 상기 멤브레인으로 부터 상기 농축수를 수세하는 것이 바람직하다. 반대로, 상기 다이어프램 탱크 10의 압력이 미리 설정된 값 아래로 떨어지는 경우, 압력 스위치 16은 펌프 4 및 밸브 14를 켬으로써 상기 공정 사이클을 시작한다. 상기 상위 및 하위 압력 한계값은 상기 관 12의 공급 요구에 달려 있으나, 가정에서는 30 내지 60 psi의 범위가 될 수 있다. 또한, 상기 펌프 4 및 밸브 14는 수위 또는 압력 센서에 의해 감지되는 저장 또는 다이어프램 탱크 안의 수위에 따라서 켜지거나 꺼질 수 있다.
미리 설정된 시간에, 또는 높은 압력이 고/저 압력 표시계 27에 의해 나타나는 경우, 제어기 17은 세정 사이클을 개시한다. 이러한 방식으로, 세정은 일정한 간격으로 또는 상기 공급수 압력 (멤브레인 투과도의 손실과 관련됨)이 미리 설정된 값을 상회하는 경우에 수행된다. 솔레노이드 밸브 5는 닫혀지고 밸브 19는 열려서 통상적으로 개방된 수동 밸브 18, 솔레노이드 밸브 19, 벤튜리 공급기 20, 체크 밸브 21, 및 통상적으로 개방된 수동 밸브 22를 지나서 모듈 6으로 물을 흐르게 한다. 수동 밸브 18 및 22는 예를 들면 상기 수동 밸브를 세정하거나 재충진시키기 위해 상기 화학물질 탱크 23을 격리시키는데 사용될 수 있다. 동시에, 솔레노이드 밸브 14는 열려서 상기 화학 물질 용액으로 상기 농축수 채널 중의 유체를 치환시키게 할 수 있다. 또한, 솔레노이드 밸브 25는 열려서 상기 세정 사이클 동안 형성된 일체의 투과수를 배수한다. 탱크 23에 저장된 화학물질은 상기 밴튜리 공급기 20에서 형성된 압력 강하에 의해 체크 밸브 24를 지나서 상기 물 흐름으로 흡입된다. 이러한 조작은 미리 설정된 시간 동안 계속되어서 화학물질 용액으로 상기 모듈 6의 공급면을 충진하게 되나, 상기 농축수 또는 투과수의 방출관을 통한 다량의 화학물질 용액을 폐기할 정도로 장시간은 아니다. 상기 제어기 17은 밸브 19, 밸브 14 및 밸브 25를 폐쇄하여 미리 설정된 공급 시간 후에 세정 용액 공급을 중단시킨다. 밸브 5는, 선택적으로 또한 개방될 수 있다. 상기 세정 용액 동안 물 공급은 이상적으로는 상기 모듈 6 및 밸브 25를 지나는 투과를 감소시키기 위해서 물 공급원 1의 압력 하에서 이루어질 수 있다. 또한, 상기 관 압력이 40 psi 이하인 경우, 펌프 4를 사용하여, 상기 물 흐름으로 상기 화학물질 용액을 주입하기 위해 필수적인 압력 강하를 제공하기 위하여 상기 벤튜리 공급기를 지나는 물을 가압시킨다.
화학물질 공급의 지속 시간은 사용되는 모듈 6의 타입, 상기 화학물질 용액의 유속 및 상기 시스템 구성에 달려있고, 이하와 같이 계산된다:
화학물질 공급 시간 (분) = 벤튜리 공급기 20에서 오리피스 밸브 12로의 시스템의 잔류 부피(hold-up volume) (갤론) / 물 흐름 속도 (갤론/분)
상기 미리 설정된 화학물질 공급 시간 후에, 제어기 17은 밸브 5가 이미 개방되어 있지 않은 경우 밸브 5를 개방할 수 있다. 또한, 시스템에 일체의 누수가 없는 경우 펌프 4가 상기 탱크 10으로부터의 역류를 방지하기 위해 작동되지 않는 때에는 언제든지 밸브 5는 닫힐 수 있다. 밸브 14, 19 및 25는 탱크 10의 압력이 상기 투과 사이클을 개시하기 위한 미리 설정된 값 아래로 떨어질 때까지 상기 세정 화학물질을 모듈 6에 잔존하게 하는 동안 닫혀있고, 이는 상기 농축 채널로부터 투과 및 상기 화학물질 용액의 수세로 복귀하게 한다. 또한, 상기 체류 시간은 30 분 내지 5 시간, 바람직하게는 1 내지 2 시간의 소정의 시간까지만 화학 물질 공급 시간 이상으로 연장될 수 있다. 이러한 경우에, 제어기 17은 상기 시스템을 투과를 위해 준비되고 이용가능한 상태로 되돌리기 전에 일정 시간 동안 밸브 5, 밸브 25(투과될 수 있었던 세정 화학물질을 수세하게 함), 및 밸브 14를 개방함으로써 상기 미리 설정된 시간에 수세 사이클을 시작하도록 프로그래밍되어 있다. 상기 모듈 6의 투과면을 수세하는데 요구되는 시간은 상기 모듈 6의 잔류 부피 및 투과 속도에 달려있다. 상기 모듈의 공급면은 유사하게 배수구로 수세된다.
압력 스위치 27은 상기 압력이 과도 압력으로부터 상기 시스템 및 모듈 6을 보호하기 위하여 미리 설정된 한계를 초과하는 경우에는 펌프 4를 정지시킨다. 또한, 압력 배기 밸브 28은 상기 탱크 내의 압력이 미리 설정된 한계치 또는 사용자 12의 압력 한계치를 초과하는 경우 상기 다이어프램 탱크 10을 감압시킨다.
수동 밸브 26은 시스템이 고장나는 경우 사용자 12에 물 공급을 확실히 하기 위해 상기 전 시스템에 우회로를 제공한다.
도 2를 참조하면, 특히 간이함 때문에 가정용에 적합한 제2 여과, 연화 또는 탈염 시스템이 도시되어 있다. 도 1과 유사한 기능을 하는 항목은 동일한 번호로 기재되어 있다. 도 2의 시스템은 상기 농축수 흐름 속도를 거의 일정하게 유지하는 가변 면적 오리피스 흐름 제어기 13에 의해 제어되는 재생을 도시한다. 그러나, 상기 시스템 디자인은 일정한 공급 압력에 기초하고, 상기 탱크 10에서 압력 변화를 받아서, 6 개월 이상의 기간에 대하여 일반적으로 일정한 평균 막간 차압(TMP, trans-membrane pressure)을 제공한다. 일정한 농축수 흐름 속도를 유지하고 상기 유량을 상기 멤브레인 막힘에 따라 감소하도록 함으로써, 상기 시스템의 재생은 또한 시간에 따른 상기 공급면 상의 막힘 물질의 농도를 감소시킬 수 있다. 이러한 처리 모드는 정상 처리의 제어를 위한 상기 가변 면적 오리피스 13 만을 필요로 한다.
미리 설정된 시간에, 또는 유량, 재생 또는 펌프 압력이 수용될 수 없게 되는 경우의 시기 사이에, 상기 사용자는 수동 세정 처리를 실행할 수 있다. 이러한 공정에서, 세정 화학물질 (예를 들면 구연산(citric acid) 또는 MC-1 (Zenon Environmental Inc.에서 제조된 개질 구연산 멤브레인 세정제)), 크리스탈(crystals)을 화학물질 탱크 23에 첨가한다. 상기 화학물질 탱크 23은 농축수 흐름 제어기로 사용되는 가변 면적 오리피스 13의 하류 방향으로 상기 농축수 관의 바로 위에 위치된다. 일단 상기 크리스탈이 용해되면, 얻어진 용액을 중력에 의해 모듈 6의 농축수 배출구 안으로 및 정상 처리와 반대되는 방향으로 상기 모듈 6의 공급/농축면을 통하여 흐르도록 한다. 상기 세정 화학물질은 상기 모듈 6의 공급 주입구를 통하여 진행하고 그 결과 상기 모듈 6의 공급/농축면을 충진한다. 이는 두 개의 핸드 밸브 39 및 40을 개방함으로써 얻어진다. 상기 용액을 소정의 시간, 예를 들면 1시간 이상 동안 침지시킨다. 이후 상기 세정 화학물질은 정상 처리를 하거나 선택적으로 핸들 밸브 25를 개방함으로써 최초 수 분 동안 투과시켜 배수되도록 함으로써 상기 모듈 밖으로 린스된다. 전도도 모니터 41은 상기 투과면 상에 설치되어 멤브레인의 완전성(integrity)을 모니터링할 수 있다.
모듈 디자인
상기 멤브레인 모듈 6은 멤브레인 물질로 제조된 하나 이상의 직사각형 리프 또는 외피로 감싸진 중앙 맨드렐을 가지는 타입의 나선형 권취 모듈일 수 있다. 상기 맨드렐 및 리프는 쉘 내부에 장착된다. 상기 리프의 내부는 스페이서 물질을 포함하고 상기 맨드렐의 내부로 홀을 가지고 통한다. 따라서 리프의 쉘면에 가해진 공급수는, 일부는 상기 멤브레인 물질을 통하여 흐르고, 또는 상기 스페이서 물질을 통하여 상기 맨드렐의 내부로 흐르고, 상기 맨드렐을 통하여 투과수 배출구로 흐른다. 상기 공급수는 상기 쉘의 일 측 상의 공급수 주입구를 통하여 모듈로 들어가고, 제2 스페이서 물질을 통하여 상기 리프들 사이로 흘러가서 상기 쉘의 다른 측 상의 농축수 배출구를 통하여 흘러나간다.
상기 모듈 6은 전술한 바와 같이 개질되어서 내부 스테이지화된 모듈을 형성한다. 바람직하게는, 도 3에 도시된 바와 같이, 공급면 스페이서 30, 예를 들면 VEXAR와 같은 메시(mesh)는 댐 32에 제공되어 멤브레인 영역 주입구 36과 멤브레인 영역 배출구 38 사이의 스페이서 30을 가로질러 전후로 지나가는 흐름 경로 34를 형성한다. 상기 스페이서 30은 상기 리프들이 맨드렐 주위에 권취되기 전에 각 리프의 일 표면 상에 위치되고 그 결과 인접한 리프들 사이에 끼이게 될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 공급수가 상기 스페이서 30을 지나서 흐름 경로 34를 따르는 경우, 상기 공급수는 상기 리프들의 멤브레인 물질을 가로질러 전후로 지나갈 수 있다.
상기 스페이서 30은 상기 흐름 경로 34에 2 내지 9, 통상적으로는 3 내지 7 개의 스테이지 또는 통로를 제공하도록 개질될 수 있다. 다른 장치들이 사용될 수 있으나, 본 발명자들은 상기 맨드렐에 평행한 스테이지 또는 통로를 선택하였다. 본 발명자들은 또한 상기 멤브레인 영역 주입구 36에 인접한 스테이지인, 상기 제1 스테이지를 상기 맨드렐로부터 가장 멀리 있게 하였다. 따라서, 도 3의 구현예에서, 스테이지 5는 상기 맨드렐의 길이에 대항하여 놓이도록 리프들 사이에 삽입될 수 있다. 이러한 방식에서, 공급수 및 농축수 양자는 모두 일반적으로 상기 리프의 말단 에지로부터 상기 리프 및 동일한 방향으로 배향된 농축수 채널 사이에 압력 경사를 낳는 맨드렐로 흐른다. 이는 상기 스테이지를 가로지르는 훨씬 더 큰 TMP 및 더 균일한 속도의 투과를 제공하는 것을 가능케 한다. 상기 스페이서 30의 말단 에지로부터 상기 맨드렐로의 흐름은 상기 맨드렐 가까이에 더 작은 공급면 압력을 낳는데, 이때 상기 댐 32는 상기 맨드렐에 단지 대항하여만 있고 완전히 실링되지(sealed) 않을 수 있다.
연속적인 스테이지의 폭은 상기 멤브레인 영역 배출구 38 쪽으로 갈수록 감소할 수 있다. 이는 상기 공급수가 상기 멤브레인 영역 배출구 38 쪽으로 농축되는 경우, 상기 공급수의 막힘 가능성의 증가를 막는데 유용한 멤브레인 영역 배출구 38 쪽으로 공급면 속도를 일정하게 하거나 증가시킬 수 있게 한다. 도 3의 실시예에서, 상기 멤브레인 영역 배출구 38은 상기 멤브레인 영역 주입구 36의 15%의 폭 및 단면적을 가진다. 도 4에 도시된 다른 구현예는 NF-270 멤브레인을 갖는 Filmtec 8040 모듈을 개질하는 것에 대한 것이다. 이 구현예에서, 상기 흐름 경로 34의 폭 및 단면적은 상기 스테이지들 내 및 연속적인 스테이지들 사이 모두에서 감소하여 상기 모듈 6의 처음부터 끝까지의 공급면 속도는 더 일정하거나 더 일정하게 증가한다. 또한, 상기 멤브레인 영역 배출구 38은 상기 멤브레인 영역 주입구 36의 12%의 폭 및 단면적을 가진다. 이러한 모듈에서는, 85%의 설계상 재생률(design recovery) 및 2.8 L/min의 농축수 흐름에서, 공급면 속도는 일반적으로 상기 공급수 경로 34를 따라서 증가하나, 스테이지 1과 같은 개별 스테이지가 있을 수 있고, 이때에 공급수 속도는 상기 공급수 경로 34를 따라서 감소한다. 바람직하게는, 상기 멤브레인 영역 배출구 38를 가로지르는 농축수 배출구 속도 (0.22 ft/s)는 제1 스테이지의 평균 속도 (0.17 ft/s)보다 약 29% 더 크다.
댐 32로 스페이서 30을 제조하기 위해서, 하기 방법이 사용될 수 있다:
1. 상기 스페이서 30 보다 다소 큰 치수로 플라스틱 시트를 절단하고 단단하고 평평한 표면 상에 놓아둔다.
2. 상기 플라스틱 시트 상에 마커(marker)로 상기 댐 또는 배플 32의 윤곽을 그린다.
3. 상기 플라스틱 시트 상에 왁스 페이퍼 시트를 겹쳐서 상기 영역을 덮는다.
4. 상기 왁스 페이퍼 상에 스페이서 30을 위치시키고 마스킹 테이프(masking tape)로 모서리에 고정하여 평평하게 하고 실리콘 처리 동안 움직이지 않도록 한다.
5. 실리콘 실런트 (즉, General Electric Silicone II)로 채워진 카트리지 코킹 건(caulking-gun)을 사용하여, 신중하게 상기 표시된 선을 따라서 실런트 비드(a bead of sealant)를 위치시킨다
6. 상기 스페이서 30 및 실런트 위에 왁스 페이퍼의 시트를 겹쳐서 둔다.
7. 상기 왁스 페이퍼 상에 제2 플라스틱 시트를 두고 상기 스페이서 30 안으로 상기 실리콘 비드를 평평하게 붙도록 단단하게 누른다.
8. 왁스 페이퍼를 붙인 상태로, 스페이서 30을 경화 영역으로 이동시킨다.
9. 필요한 만큼의 스페이서 30에 대해서 3에서 8 단계를 반복한다.
10. 사용하기 전에 48 시간 이상 실리콘 실런트를 경화시킨다.
또 다른 방법이 사용될 수 있다. 예를 들면, 다른 실런트 물질, 열가소성 물질 또는 수지가 상기 스페이서 또는 멤브레인 시트 중 하나의 상에 댐 32를 형성하는데 사용된다. 실리콘 또는 고상 플라스틱으로 제조된 댐 32는 상기 리프들에 고정되어, 이후 스페이서 물질 30은 상기 댐 32 내에 맞도록 절단될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 고상, 바람직하게는 탄성 또는 엘라스토머(elastic or elastomeric) 스트립은 스페이서 30의 양 측에 접착될 수 있다. 상기 모듈 6이 롤링되는 경우, 상기 스트립은 스페이서 30으로 압축되고 댐 32를 형성한다. 또는 상기 댐 32는 이러한 용도에 적합한 스페이서로서 압출용 몰딩된 스페이서에 통합될 수 있다.
전형적인 모듈 6은 2 이상의 리프들을 가질 수 있다. 상기 리프들이 일반적으로 동일한 멤브레인 물질 또는 화학적 성질을 가지는 반면, 모듈 6은 또한 다양한 화학적 성질의 리프들로 제조될 수 있다. 예를 들면, 모듈은 Filmtec NF-90의 3 개의 리프들 및 Filmtec NF-270의 3 개의 리프들로 제조될 수 있다. 상기 NF-90 리프들은 약 99% 경도 제거율을 가지는 반면 상기 NF-270 리프들은 약 50 내지 70%의 경도 제거율을 가진다. 그러나, 상기 NF-270 리프들은 더 큰 유량을 제공하고, 다른 것은 더 큰 제거율을 제공한다. 상기 또는 다른 물질을 혼합함으로써, 사용되는 상기 2 이상의 리프 물질들 사이의 유량 및 제거 특성을 갖는 모듈이 새로운 물질의 개발 없이 제조될 수 있다. 전술한 실시예에서, 70% 이상의 경도 제거율은 NF-90 모듈 보다 더 큰 유량을 가지고 얻어질 수 있다. 또한 예를 들면, NF-90 또는 NF-270 보다 더 큰 정도로 비소를 제거하는 특수한 물질(예를 들면, Filmtec XLE)의 하나 이상의 리프가 부가되어, 완전히 상기 특수한 물질로만 제조된 모듈 6의 특성을 가지지 않고서도 소정의 물질의 제거를 제공할 수 있다.
방법 단계 및 파라미터
도 1 및 2에 도시된 시스템은, 예를 들면, 가정용의 진입점(point of entry)의 나노여과 시스템은 30% 이상, 바람직하게는 50 내지 80% 이상의 경도 제거율을 가지고 모든 병원균을 제거할 정도로 유용하다. 상기 투과수는 또한 상기 공급수 보다 전체 고형분, 칼슘, 마그네슘, 나트륨, 중금속의 농도, 및 알카리도가 작다. 이하 명세서에서는 또한 이러한 용도의 상기 시스템의 조작에 대한 더 상세한 내용을 제공하나, 또한 상기 시스템을 동일하거나 유사한 시스템의 다른 용도, 예를 들면 탈염 시스템에 적용할 수 있다.
투과 동안, TMP는 나노여과 시스템에 있어서 100 내지 110 psi의 범위 내에 있을 수 있다. 30 내지 60 psi의 가정용의 통상적인 수치에서 압력 탱크 중에 투과수를 저장하면, 총 공급수 압력은 130 내지 200 psi가 될 수 있다. 공급면을 통과하는 속도 및 스테이지의 수를 적절히 선택하면 상기 모듈 6의 공급/농축면을 지나는 압력 강하가 모듈 6의 설계 한계를 초과하지는 않는다. 예를 들면, 상업적으로 이용가능한 나노여과 모듈이 전술한 개질을 하여 사용되면, 최대 공급면 압력 강하 (흔히 15 psi)가 적절하게 유지된다. 10 psi 이하 또는 5 psi 이하의 압력 강하가 바람직하다. 그러나, 역삼투압 시스템에서는, 전술한 압력 중 하나 이상이 더 높을 수 있다. 예를 들면, 공급수 압력은 RO 모듈을 갖는 도 1 및 2의 시스템에서 400 psi 까지 될 수 있다. 반대로, 한외여과 시스템에 대한 몇몇 압력은 나노여과 시스템 보다 더 작을 수 있다.
상기 모듈 6의 공급/농축면을 지나는 속도는 0.05 내지 0.4 ft/s의 범위 내일 수 있다. 상기 스페이서 30은 난류를 제공하여 탄산칼슘 스케일 및 다른 불순물의 침적에 기인한 과도한 막힘 현상이 없고 외부 (모듈 6에 있어서) 난류 형성 장치의 필요 없이 상기의 속도로 조작할 수 있게 한다. 0.05 ft/s 이하의 속도에서는 70% 이상의 바람직한 단일 통로 재생률로 과도한 막힘 현상을 제거하기에는 충분한 흐름이나 난류는 없다. 속도가 클수록 일반적으로 더 바람직하나, 속도가 크면 또한 다른 시스템의 요구 사항을 만족시켜 주기 위한 더 많은 스테이지를 필요로 하게 된다. 예를 들면, 공급수/농축수의 속도가 일반적으로 0.15 내지 0.25 ft/s인 모듈 6은 5 개의 스테이지를 필요로 한다. 공급수/농축수의 속도를 0.4 ft/s로 증가시키기 위해서는 7 또는 9 개의 스테이지를 필요로 한다. 이는 통상적인 나노여과 모듈 6의 최대 공급/농축면 압력 손실을 초과함이 없이 70% 이상의 단일 통로 재생률을 얻기 위해서 가능한 최대 수의 스테이지에 관한 것이다.
유량, 막힘율 및 제거율은 서로 상관 계수에 해당된다. 공급면 속도, 특히 상기 멤브레인 영역 배출구 38 (농도 수준이 최대)에서의 공급수/농축수의 배출구 속도는 또한 막힘 현상에 관계되고 상기 시스템의 조작 및 상기 댐 32의 구성에 의해 제어된다. 도 2의 시스템은 가정과 같은 저처리 용도에 관한 것으로서, 간이함 및 가격이 중요한 인자이다. 상기 수동 세정 방법은 단지 드물게, 예를 들면 일년에 한 두 번 또는 그 이하 사용되도록 한 것이다. 도 1의 시스템은 대량 수용 목적을 위한 것으로서 이는 더 복잡한 시스템인 것을 보고 알 수 있다. 작은 세정 작업은 더 자주, 예를 들면 하루에 한 번에서 한 달에 한번 정도로 실시된다.
예를 들면, Filmtec NF-270 멤브레인 물질의 3 스테이지 모듈은 0.12 ft/s의 출구 속도를 사용하여 3 개의 처리 조건 하에서 도 1의 시스템에서와 같이 운전되었다. 제1 조건은 30 L/m2/h의 유량 및 72%의 재생률이었고, 이는 경도 제거율 보다는 작은 55%의 전도도 제거율을 나타냈다. 제2 조건은 45 L/m2/h의 유량 및 80%의 재생율이었고 이는 65%의 평균 전도도 제거율을 보였다. 제3 조건은 60 L/m2/h의 유량 및 84%의 재생율이었고 이는 61%의 평균 전도도 제거율을 보였다. 세 개의 모든 경우에서, MC-1을 이용한 세정은 연속 처리의 매 24 시간 후에 제공되어서, 이는 통상적인 가정용에 있어서는 1 내지 2 주의 처리 동안 충분한 물을 제공할 수 있을 것이다. 투과도에 있어서 일체의 중대한 감소도 각 조건에서 10일 이상의 연속 처리 동안 감지되지 않았는데, 이는 세정 작업 사이의 유량에서 임의의 손실이 실질적으로 회복될 수 있었고 본질적으로 완전한 멤브레인 투과도로 연속적인 처리가 달성될 수 있음을 나타낸다.
또 다른 실시예에서, NF-270 멤브레인 물질의 다른 모듈은 화학 세정 없이, 지하수(well water)를 공급하여 운전되어도, 상기 막힘율이 충분히 작아서 전형적인 북미 가정의 진입점에서 일 년 이상 처리하는 동안 화학 세정이 필요하지 않을 수 있는, 출구 속도를 결정하였다. 80%의 재생률에서, 0.05 ft/s의 출구 속도가 요구된다. 85%의 재생률에서, 0.11 ft/s의 출구 속도가 요구된다. 90%의 재생률에서, 0.26 ft/s의 출구 속도가 요구된다.
예시적인 도안으로서, 도 2의 시스템은 도 4와 관련하여 검토된 모듈을 가지고 사용될 수 있다. 공급수 압력은 130 내지 160 psi 이고, 이는 약 100 psi의 TMP를 낳는다. 설계상 투과도는 온도에 따라서 7.5 내지 3 L/m2/h/bar이다. 설계상 유량은 52 내지 21 L/m2/h 또는 32 내지 13 L/min이다. 재생률은 92% 내지 70% 이다. 출구 속도는 약 0.23 내지 0.17 ft/s이다. 예상 공급수 온도는 10 내지 25℃이다. 투과도에 대한 공급수의 온도의 영향이 큼에도 불구하고, 탄산칼슘은 더 낮은 온도에서 더 잘 용해된다. 이는 더 낮은 온도에서 처리하는 경우 허용되는 재생률을 제공하면서 전술한 범위의 하한에 가까운 속도에서 처리하는 것을 가능케 한다. 이러한 시스템 및 공정에 따라, 세정이 요구되기 전 6 내지 12 개월 이상 동안 처리가 계속될 수 있다.
지하수 공급수를 사용함에 있어서, 본 발명자들은 또한 신선한 지하수는 통상적으로 매우 낮은 용존 산소 농도 또는 산소 환원 포텐셜(ORP)을 가지나 막힘율은 더 큰 ORP에서 감소하는 것을 확인하였다. 따라서, 지하수의 여과는, 예를 들면, 1 내지 24 시간 동안, 선택적으로 교반 또는 공기 버블링에 의해 공기 중에 지하수를 노출하여서, 여과하기 전에 필요한 접촉 시간을 감소시키고, ORP를 증가시킴으로써 개선될 수 있다. 또한, 투과도는 단속적인 처리보다는 연속적인 처리하에서 더 급속하게 감소함을 알 수 있었다. 예를 들면, 15 분 주기 동안 투과하고 투과 주기 사이에 45 분을 간격을 갖는 경우 눈에 띄게 연속적인 처리에 비해 막힘율이 감소하였다. 따라서, 6 시간 이하, 바람직하게는 3 시간 이하의 투과 시간에서 1일에 해당하는 생성물을 제공하고, 상기 투과 시간이 1 시간 내지 12 시간의 휴식 주기에 의해 구분된 2 분 내지 30 분의 시간에 일어나도록 하는 정도의 크기로 상기 모듈 6 및 저장 탱크 10을 제작하는 것이 바람직하다.
세정 동안, MC-1 또는 다른 화학물질은 상기 세정 화학물질로서 사용될 수 있다. 몇몇 화학물질은, 구연산을 포함하여, 통상적인 멤브레인을 지나서 확산되고, 그 결과 투과로 복귀하기 전에 임의의 잔류 화학물질을 시스템의 투과면에서 린스하는 것이 필요하다. 5L의 부피를 갖는 일 실시예 시스템에서, 30L의 투과수 흐름은 상기 투과면으로부터 세정 화학물질을 실질적으로 제거하는데 충분하였다. 다른 시스템에서, 투과수 흐름의 추가적인 함량이 필요로 할 수 있다.
추가적인 실시예
실시예 # 1; 매일 세정 단계를 포함하는 장기간의 처리.
실험 조건:
공급원: 미처리 ZENON 지하수
총 경도 (공급수) = 400 mg/L (CaCO3 기준)
투과 속도 = 9-12 L/min
유량(Flux) = 20-28 Lmh
재생률 = 80-90%
출구 속도 = 0.0381-0.0606 m/s
온도 = 20-26 ℃
세정 빈도 = 2.7 hrs (가정용의 경우 1 일에 상당)
초기 투과도 = 8.2 Lmh/bar
최종 투과도 = 7.0 Lmh/bar
공급수/농축수 속도 = 0.125-0.19 ft/s
상기 모듈 A, B, C는 A를 B의 상류쪽에, B를 C의 상류쪽에 일렬로 배열하였다. 모두 상기 모듈은 8 개의 스테이지를 가진다.
멤브레인 사양:
모듈 원 제조회사 화학적 성질 개질된내부 스테이지의 수 표면적 (m2)
A 요소 Dow-FilmTech NF-270/4040 1 7.618
B 요소 Dow-FilmTech NF-270/4040 3 7.455
C 요소 Dow-FilmTech NF-270/4040 5 7.037
이는 80 내지 90%의 재생률로 2 개월 내지 9일 이상 경화하는 동안(단독 가정의 1 년 물공급에 해당), 상기 투과도가 현장 작업 조건하의 시스템 성능을 나타내면서, 단지 15 %만이 떨어졌다는 것을 나타낸다.
실시예 2 : 멤브레인 세정 사이클
세정 사이클은 3 스테이지의 처리를 포함한다.
1. 수세(Flush) (4.5 분) - 세정 화학물질을 이덕터(eductor)(Mazzei Injector Corp. Model # 384)를 경유하여 공급수 흐름으로 투입한다. 농축된 MC-1 90g/L를 주입하고 희석하여 상기 공급수의 pH를 2.8로 낮춘다.
2. 침지(Soak) (60 분) - 흐름을 중단한다. 화학물질을 1 시간 동안 멤브레인 요소 내부에 정치시킨다.
3. 린스(5 min) - 공급수를 재주입하고 (화학물질의 주입 없이) 모든 방출물을 전체 린스 시간 동안 배수구로 이송하여 상기 시스템으로부터 MC-1을 제거한다.
멤브레인의 투과도는 매 세정 사이클 후 증가하고, 상기 멤브레인이 막힘에 따라 세정 사이클 사이에서 감소한다. 2.7 시간 (가정용의 1일에 해당), 9 시간, 18 시간, 및 23 시간 (가정용의 8.5일에 해당)의 세정 빈도를 사용하여 매 조건에서 투과도의 완전한 재생의 결과를 나타내었다. (도 3 참조)
실시예 3 :
3개의 내부 스테이지를 갖도록 개질된 FilmTech NF-270/4040 모듈을 76 Lmh의 유량에서 운전하여 투과수의 특성에 미치는 공정 조건의 영향을 평가하였다.
실험 조건 :
공급원 : 미처리 ZENON 지하수
총 경도 (공급수) = 400 mg/L (CaCO3 기준)
공급수 흐름 = 10.45 L/min
투과 속도 = 9.4 L/min
유량 = 76 Lmh
재생률 = 90 %
막간 차압 = 890 kPa
온도 = 32 ℃
공급/농축면 속도 = 0.08-0.328 ft/s
투과 특성 및 제거율은 이하와 같다:
투과 총 경도: 144 mg/L (CaCO3 기준)
총 경도 제거율: 64.7%
이는 본 시스템이 바람직한 운전 조건하의 공급수에 대한 투과 특성에서 상당한 개선이 있음을 보여준다.
상기 구현예는 단지 예시적인 것이다. 개질되거나 다른 장치 및 방법이 또한 하기 청구항에서 정의된 본 특허에 의해 보호되는 발명의 범위 내에서 또한 실시 될 수 있다.

Claims (58)

  1. a) 공급/농축면 및 투과면을 갖는 멤브레인의 다중 스테이지 나선형 권취 경도 제거 모듈을 제공하는 단계;
    b) 단일 통로에서 상기 모듈의 공급/농축면을 통하여 가압 공급수를 흘려보내고, 상기 공급수가 상기 모듈의 공급/농축면 상의 멤브레인의 최종 부분에 대하여 0.05 내지 0.4 ft/s (feet per second)의 겉보기 속도를 갖는 단계; 및
    c) 상기 모듈의 투과면으로부터의 투과수로서 상기 공급수의 70% 이상을 수집하는 단계를 포함하는 방법
  2. 제 1항에 있어서, 상기 공급수의 80% 내지 95%가 투과수로서 수집되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 모듈이 약 0.6 gfd/psi 이하의 투과도를 갖는 40"길이의 모듈인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투과수가 상기 공급수 보다 적어도 30% 이하의 경도를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 최소 공급면 겉보기 속도가 0.05 ft/s 내지 0.4 ft/s의 범위 내인 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항 내지 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 최소 공급면 겉보기 속도 또는 출구 겉보기 속도가 0.12 ft/s 내지 0.3 ft/s의 범위 내인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급수가 지하수(well)로부터 도입되고, 상기 모듈에 상기 공급수를 흘려보내기 전에 용존 산소 함량을 증가시키기 위해 공기와 접촉되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투과수가 저장 탱크에서 수집되고, 상기 저장 탱크 중 투과수의 압력 또는 수위가 소정의 한계에 도달할 때 가압된 공급수를 흘려보내는 단계가 시작하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 가압된 공급수를 흘려보내는 단계가 상기 저장 탱크 중 투과수의 수위 또는 압력이 소정의 한계에 도달할 때에 정지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    a) 상기 모듈의 공급/농축면으로 세정 화학물질을 포함하는 물을 흘려보내는 단계;
    b) 상기 공급/농축면 모듈에 반응 시간 동안 상기 세정 화학물질을 저장하는 단계; 및
    c) 상기 공급/농축 및 투과면으로부터 상기 세정 화학물질을 배출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 멤브레인의 투과도가 소정의 한계에 도달할 때 또는 소정의 시간 간격에서, 상기 10항의 단계가 시작하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 10항 또는 11항에 있어서, 상기 세정 화학물질이 상기 모듈로 흘러가는 공급수로 세정 화학물질을 혼합함으로써 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 10항 또는 11항에 있어서, 상기 세정 화학물질이 상기 모듈의 농축수 배출구로 들어가는 액체의 흐름에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 10항 또는 11항에 있어서, 상기 세정 화학물질이 중력 유도 흐름에 의해 상기 모듈의 공급/농축면으로 흘러 들어가는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 1항 내지 14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모듈의 투과면이 상기 모듈의 외부로부터 주입구를 가지지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 8항 내지 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저장 탱크가 추가의 가압없이 투과수를 사용자에게 공급하기 위해 채택된 주위 이상의 압력을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 1항 내지 16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인 물질이 염을 제거하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 1항 내지 17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모듈이 공급면 상에 다중 스테이지를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 1항 내지 18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모듈이 멤브레인 영역 출구 및 제1 스테이지를 가지고 상기 멤브레인 영역 출구에 대한 공급수 또는 농축수 속도가 상기 제1 스테이지에서 공급수 또는 농축수 속도의 1.2 배 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 1항 내지 19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급면을 지나는 압력 강하가 10 psi 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 1항 내지 20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급수 중 용존 산소량이 상기 멤브레인 모듈의 상류 쪽으로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 1항 내지 21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투과가 단속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 맨드렐 주위에 감싸여지고 쉘에 설치된 하나 이상의 리프의 멤브레인 물질을 가지고, 상기 공급면으로서 상기 멤브레인 물질의 쉘면을 가지고, 인접한 리프들 또는 리프의 부분 사이에 상기 공급면 상의 스페이서 물질을 가지고, 상기 공급수 경로 (feed path)가 상기 스페이서 물질을 통하고 상기 모듈의 리프 또는 리프들의 외부면을 가로지르는 다중 통로들을 갖는 것을 특징으로 하는, 액체 여과용 나선형 권취 RO, NF 또는 UF 모듈.
  24. 제 23항에 있어서, 상기 공급면 흐름 경로가 상기 리프 또는 리프들의 외부면으로의 입구 및 상기 리프 또는 리프들의 외부면으로부터의 출구를 가지고, 상기 출구의 폭 또는 단면적이 상기 입구 보다 20% 이하인 것을 특징으로 하는 모듈.
  25. 제 24항에 있어서, 상기 출구의 폭 또는 단면적이 상기 입구 보다 15% 이하인 것을 특징으로 하는 모듈.
  26. 제 23항 내지 25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통로들이 상기 맨드렐에 일반적으로 평행한 것을 특징으로 하는 모듈.
  27. 제 26항에 있어서, 상기 제1 통로가 상기 최종 통로보다 상기 맨드렐로부터 더 멀리 있는 것을 특징으로 하는 모듈.
  28. 제 23항 내지 27항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 리프가 다른 리프 보다 상이한 멤브레인 물질 또는 화학적 성질을 갖는 다중 리프들을 포함하는 것을 특징으로 하는 모듈.
  29. 제 23항 내지 28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인이 50% 이상의 경도 제거율를 가지는 것을 특징으로 하는 모듈.
  30. 제 23항 내지 29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급/농축면 중에 3 내지 9개의 스테이지를 가지는 것을 특징으로 하는 모듈.
  31. 제 23항 내지 30항 중 어느 한 항에 있어서, 각 스테이지의 폭 또는 단면적이 흐름 경로를 따라 감소하는 것을 특징으로 하는 모듈.
  32. 제 23항 내지 31항 중 어느 한 항에 있어서, 각 연속적인 스테이지의 폭 또는 단면적이 선행 스테이지에 비하여 감소하는 것을 특징으로 하는 모듈.
  33. 제 23항 내지 32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모듈이 표준 40" 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 모듈.
  34. a) 공급수가 들어가고 농축수가 나오는 공급/농축면, 및 투과수가 나오는 투과면을 갖는 쉘에 포함되고, 상기 공급/농축면이 다중 흐름 경로를 제공하도록 구성된 멤브레인 모듈;
    b) 상기 모듈의 공급/농축면에 결합된 공급 펌프;
    c) 상기 모듈에서 배수로 또는 다른 장치로 농축수가 흐르기 위한 도관 또는 통로;
    d) 상기 공급 펌프로 공급수가 들어가기 위한 주입구; 및
    e) 투과수가 상기 모듈을 나오기 위한 출구를 포함하는 장치.
  35. 제 34 항에 있어서,
    a) 세정 화학물질을 저장하기 위한 탱크;
    b) 때때로 상기 모듈로 상기 세정 화학물질을 공급하기 위한 도관 및 밸브; 및
    c) 상기 모듈로부터 화학적으로 오염된 투과수를 배출하기 위한 도관 및 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  36. 제 35 항에 있어서, 상기 탱크로부터 세정 화학물질을 상기 모듈로 흐르는 공급수에 도입하기 위해 채택된 상기 모듈로의 공급관에 벤튜리관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  37. 제 35 항에 있어서, 상기 탱크가 상기 모듈 위에 위치하고, 상기 도관 및 밸브가 중력 흐름에 의해 상기 탱크로부터 상기 모듈을 지나도록 세정 화학물질을 흘려보내기 위해 채택된 것을 특징으로 하는 장치.
  38. a) 공급/농축면 및 투과면을 갖는 나선형 권취 UF 모듈을 제공하는 단계;
    b) 단일 통로에서 상기 모듈의 공급/농축면을 통하여 가압 공급수를 흘려보내고, 상기 공급수가 상기 모듈의 공급/농축면 상의 멤브레인의 최종부분에 대하여 0.05 내지 0.4 ft/s의 겉보기 속도를 가지는 단계; 및
    c) 상기 공급수의 70% 이상을 상기 모듈의 투과면으로부터의 투과수로서 수집하는 단계를 포함하는 방법.
  39. 제 38 항에 있어서, 상기 공급수의 80% 내지 95%가 투과수로서 수집되는 것을 특징으로 하는 방법.
  40. 제 38 항에 있어서, 상기 모듈이 약 0.6 gfd/psi 이상의 투과도를 가지는 것을 것을 특징으로 하는 방법.
  41. 제 39 항에 있어서, 상기 모듈이 약 0.6 gfd/psi 이상의 투과도를 가지는 것을 것을 특징으로 하는 방법.
  42. 제 38항 내지 41 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 최소 공급면 겉보기 속도가 0.05 ft/s 내지 0.4 ft/s의 범위 내인 것을 특징으로 하는 방법.
  43. 제 38항 내지 42항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 최소 공급면 겉보기 속도 또는 출구 겉보기 속도가 0.12 ft/s 내지 0.3 ft/s의 범위 내인 것을 특징으로 하는 방법.
  44. 제 38항 내지 43항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급수가 지하수로부터 도입되고 상기 모듈로 상기 공급수를 흘려보내기 전에 용존 산소량을 증가시키기 위해 공기와 접촉되는 것을 특징으로 하는 방법.
  45. 제 38항 내지 44항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투과수가 저장 탱크에서 수집되고, 상기 저장 탱크 중 상기 투과수의 압력 또는 수위가 소정의 한계에 도달할 때 가압 공급수를 흘려보내는 단계가 시작하는 것을 특징으로 하는 방법.
  46. 제 45항에 있어서, 상기 가압 공급수를 흘려보내는 단계가 상기 저장 탱크 중 투과수의 수위 또는 압력이 소정의 한계에 도달할 때 정지되는 것을 특징으로 하는 방법.
  47. 제 38항에 있어서,
    a) 상기 모듈의 공급/농축면으로 세정 화학물질을 포함하는 물을 흘리는 단계;
    b) 상기 공급/농축면 모듈에 반응 시간 동안 상기 세정 화학물질을 저장하는 단계; 및
    c) 상기 모듈의 공급/농축 및 투과면으로부터 상기 세정 화학물질을 배출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  48. 제 47항에 있어서, 상기 멤브레인의 투과도가 소정의 한계에 도달할 때 또는 소정의 시간 간격에서 상기 47항의 단계가 시작되는 것을 특징으로 하는 방법.
  49. 제 47항 또는 48항에 있어서, 상기 세정 화학물질이 상기 모듈로 흘러가는 공급수로 세정 화학물질을 혼합함으로써 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  50. 제 47항 내지 49항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세정 화학물질이 상기 모듈의 농축수 배출구로의 액체의 흐름에 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  51. 제 47항 내지 50항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세정 화학물질이 중력 유도 흐름에 의해 상기 모듈의 공급/농축면으로 흘러들어가는 것을 특징으로 하는 방법.
  52. 제 38항 내지 51항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모듈의 투과면이 상기 모듈의 외부로부터 주입구를 가지지 않는 것을 특징으로 하는 방법.
  53. 제 45항 내지 52항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저장 탱크가 추가의 가압없이 투과수를 사용자에게 공급하기 위해 채택된 주위 이상의 압력을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  54. 제 38항 내지 53항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모듈이 공급면 상에 다중 스테이지를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  55. 제 54 항에 있어서, 상기 모듈이 멤브레인 영역 출구 및 제1 스테이지를 가지고, 상기 멤브레인 영역 출구에 대한 공급수 또는 농축수 속도가 상기 제1 스테이지에서 공급수 또는 농축수 속도의 1.2배 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  56. 제 38항 내지 55항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급면을 지나는 압력 강하가 10 psi 이하인 것을 특징으로 하는 방법.
  57. 제 38항 내지 56항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급수 중 용존 산소량이 상기 멤브레인 모듈의 상류 쪽으로 갈수록 증가하는 것을 특징으로 하는 방법.
  58. 제 38항 내지 57항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투과가 단속적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
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